基于压力发电的电源系统研究　

作者/ 刘艳1,2 贾宏伟1,2 林子翔1,2 1. 广东省电力工业职业技术学校(广东 广州 510000) 2. 广东电网有限责任公司教育培训评价中心(广东 广州 510000)

刘艳(1986-)，女，硕士，讲师，研究方向：电气自动化;贾宏伟，男，硕士，研究方向：电能的变换与控制;林子翔，男，硕士，讲师，工程师，研究方向：输配电线路施工与运行。

摘要：目前，微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)可以通过越来越低的能量运行，而环境中充斥着各种各样的没有被利用的或者被浪费的能量，例如太阳能、风能、热能、振动能等。收集环境中的能源。将其转换成人们可以使用的电能,达到能量回收利用的目的。但收集来的能量由于受制于环境的影响，一般无法稳定和及时为负载供电。设计了一种基于压力发电的电源系统，将压力转化为电能并采集和存储起来，可以作为远程微机电系统的电源。

0 引言

　　世界各国对能源需求不断增长以及对环境保护日益加强，都在在大力发展可再生能源。压电发电是一项最近几十年兴起的高新技术，最近十几年更是在全世界被广泛研究。压电装置在外力交变作用下产生电荷，将这些电荷收集起来储存在电容或电池中，就可为后级电子元器件和系统供电。压电能量收集装置的优点是其体积小，结构简单，无电磁干扰,易加工制作，而且其功率密度可达到200 μW/cm3，在过去压电材料常被应用在传感器与执行器上，较少被拿来作为提供电能的装置，然而随着压电材料压电性能的提高及高集成度，低能耗电力电子器件的使用，压电式发电技术因此也成为研究的热点。

1 系统总体设计

　　本文设计的电源将利用压电材料的正压电效应，将压力转化为电能，再将压电材料产生的电能通过能量采集电路进行采集并存储起来。压电材料本文选用Cymbal压电振子，能量采集电路的核心芯片是基于ADI公司的超低功耗能量采集器PMUADP5091，能量的存储采用的是超级电容。

2 压电材料

　　压电材料的选择决定了压电发电系统的能量密度，对压电振子发电性能的影响至关重要。目前，已有许多种压电材料应用于压电发电装置中，包括压电单晶体、压电多晶陶瓷、压电陶瓷、压电聚合物、压电纤维、压电薄膜、电致伸缩聚合物等。常用的压电陶瓷(锆钛酸铅)，又称 PZT。压电发电系统常见的结构分为悬臂梁型压电振子、圆盘式压电振子和叠层式压电振子。本文采用的圆盘式压电振子的Cymbal钹型压电振子，其他常见的结构还有圆柱形压电振子和鼓型压电振子等;图2 为Cymbal压电振子的结构示意图。上下 2 片钹形金属帽中间为用导电胶粘合的压电片，Φ为 Cymbal 换能器的直径，Φt为内腔顶部直径，Φb为内腔底部直径，tp为压电陶瓷的厚度，tm为金属帽的厚度，tc为内腔高度。由于压电晶体的弯曲变形, 压电层的上、下电极之间将产生变化的电势差，通过能量存储电路进而为负载供能。

　　压电振子存在机械边界条件和电学边界条件，机械边界条件包括机械自由和机械夹持;电学边界条件包括电学开路和电学短路。两种不同的机械边界条件和两种不同电学边界条件组合在一起，对应于压电振子的4种不同的边界条件。对于机械自由，电学短路边界条件下的正负压电效应的压电方程为：

(1)

　　式中：D为电位移，d为压电常数，d^t为d的转置，S为应变，s^E为弹性柔顺常数，T为应力，E为电场，ε为介电常数。

　　由于压电振动能量采集器件俘获的电能较小，单层压电晶片结构还达不到当前低耗能微电子器件的能量需求。为了提高压电振子发电的发电量，目前用于压电振动能量采集的压电振子的结构主要有基于悬梁臂结构的单、双压电晶片。串联连接方式总的输出电压为单片压电陶瓷的两倍，总的输出电量为单层压电陶瓷产生电量的两倍。并联连接方式总的输出电压与单片压电陶瓷的相同，而总输出电量为单层压电陶瓷产生的电量的两倍。单个Cymbal压电发电换能器的输出特性是高电压，低电流，高输出阻抗的电压源特性，增加了后续整流，降压和存储电路的匹配难度。在输出功率一致的情况下，并联连接的多个Cymbal压电振子有益于增大换能器系统的输出电流，降低换能器系统的输出阻抗，减小了与后续能量存储电路的匹配难度。

　　本文将多个Cymbal压电振子镶嵌在薄圆柱形箱体里，如图3所示，上下相邻Cymbal 压电振子的金属端帽短接在一起，并且放置成极化方向相反的方式，通过导线连接即可实现多个压电振子并联。圆柱箱体为整个压电振子堆提供一定的恒定的预应力，保证压电振子堆振动时始终处于压缩状态。圆柱箱体上下底面直径应略大于Cymbal的直径和振子径向振动的位移以便于保证圆柱箱体不影响Cymbal 振子的径向振动。圆柱箱体结构为整个压电振子堆提供支架，可直接将圆柱底面贴于振动源的接触面，也可以通过其他机械结构扩大获得压力源的面积。

3 能量采集和存储电路

　　多个 Cymbal压电振子并联连接后可以产生较大的输出电流，但此时的电压为不稳定的交流信号，不便于存储。需要对其进行整流和滤波。整流后的电流被送入到以ADP5091为核心芯片的能量采集和存储电路里。ADP5091是一款智能集成式能量采集nA级管理解决方案，可转换来自光伏电池或热电发生器(TEG)的直流电源。该器件可对储能元件(如可充电锂离子电池、薄膜电池、超级电容或传统电容)进行充电，并对小型电子设备和无电池系统上电。ADP5091/92能对采集的有限能量(16 μW到600 mW范围)实现高效转换，工作损耗为亚μW级别。利用内部冷启动电路，调节器可在低至380 mV的输入电压下启动。冷启动后，调节器便可在80 mV至3.3 V的输入电压范围内正常工作。额外的150 mA稳压输出可通过外部电阻分压器或VID引脚编程，可编程电压监控器(2 V至5.2 V)支持对储能元件进行充电，可选BACK_UP电源路径管理。常用的收集压电振子产生的电量的方法包括利用普通电容快速充放电效应收集并且储存产生的电能和利用可充电电池收集并储存能量。本文建议采用超级电容。超级电容与普通电容和普通电池比较，容量大很多，可达到法拉级甚至数万法拉级，而且循环使用寿命更长，可重复使用达几十万次,这些都是普通电容和可充电电池无法比拟的。而且超级电容的可靠性更高，对电路的要求不高，其两极电压可以超过额定电压而不会被击穿，不易损坏，超级电容内阻很小，充放电效率高。本文采用的是多并苯纽扣电容PAS409HR用作采集储能器。具体电路如图4所示。AD5091的SYS脚为接向系统负载提供的输出电源。在此引脚和PGND之间至少连接一个4.7μF电容，并尽可能靠近放置。BACK_UP为备用原电池的可选输入电源。

4 结论

　　压力发电的已经在全世界被广泛研究，美国、日本、韩国以及欧洲一些国家的研究人员已经取得了很多专利、理论研究和产品等研究成果。本文介绍了一种基于Cymbal型压电振子并联发电，以ADP5091为核心的能量采集电路对压电振子的能量进行采集并存储在超级电容的电源系统，可以作为远程微机电系统的电源。或在此电源系统基础上再进行一定的扩展，例如在超级电容后接入容量较大的可充电电池，提高系统的能量收集能力，多个此电源系统并联就可以为更大的负载供电等。

　　参考文献：

　　[1]郭帅.Cymbal压电发电装置发电性能研究[D].浙江:浙江大学,2012.

　　[2]邓冠前.基于压电陶瓷的振动能量捕获关键技术研宄[D].北京:国防科学技术大学,2008.

　　[3]K.L.ChoPral,P.D.Paulson,andV.Dutta,Thin-Film solar Cells:An Overview,Progress in Photovoltaics Research and APPlieations,12,2004,69~92.

　　[4]林书玉.超声换能器的原理与设计[M].北京:科学出版社,2004,2:37-39.

　　[5]颜振方.Cymbal压电振动能量采集器的发电性能研究[D].广州:华南理工大学,2012.

　　[6]陈军.基于ANSYS的压电俘能器的优化设计研究[D].,武汉:武汉理工大学,2012.

　　[7]宁玉怀.压电发电的能量转换及存储技术研究[D].中南大学,2010.

　　[8]ADI公司.ADP50915092 datasheet [EB/OL].

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第4期第61页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。